基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)研究

■ 殷惠君 Yin Huijun

0 研究背景

膜結(jié)構(gòu)自誕生至今只有50年左右的時(shí)間，但它以豐富多變的建筑造型、輕盈通透的結(jié)構(gòu)特性迅速發(fā)展成為大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域重要的組成部分。

膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展與膜材料的研發(fā)與應(yīng)用密不可分，每一次新型膜材的開發(fā)與應(yīng)用都極大地促進(jìn)了膜結(jié)構(gòu)的發(fā)展。目前國內(nèi)外應(yīng)用的建筑膜材主要包括涂層織物類膜材（PVC和PTFE膜材）和熱塑化合物類膜材（ETFE膜材）兩大類[1、2]。

膜材作為建筑的覆面材料，通常直接暴露于外部大氣環(huán)境中。在日光照射、溫度變化、雨水沖刷以及塵埃侵蝕等自然環(huán)境的作用下，膜材的外觀顏色、光亮度以及強(qiáng)度等隨著時(shí)間的變化都會逐漸退化[3]。由此造成膜結(jié)構(gòu)的局部缺陷、褶皺、破損乃至整體失穩(wěn)的事故已成為阻礙膜結(jié)構(gòu)繼續(xù)發(fā)展的重大障礙。出現(xiàn)破損的膜結(jié)構(gòu)不僅影響美觀，而且更換下來的膜材由于自身不能自然降解的特性必然對環(huán)境造成污染。隨著膜結(jié)構(gòu)的大量涌現(xiàn)，這一問題日益突出。因此，發(fā)展針對建筑膜材和膜結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)，提高膜材的更換周期，增加膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性已經(jīng)成為刻不容緩的課題。

1 膜結(jié)構(gòu)檢測方法

1.1 數(shù)字散斑相關(guān)方法

與傳統(tǒng)光學(xué)測量技術(shù)相比，數(shù)字散斑相關(guān)方法具有光路簡單、要求測量環(huán)境簡單、可以在野外應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。所使用的光源可以是激光也可以是白光，散斑可以是激光形成的，也可以是人工散斑或者某些自然紋理，在測量范圍上可自由變化，僅與照相機(jī)像素及視場大小有關(guān)，對大變形的測量尤為有利。數(shù)字散斑相關(guān)方法的測量靈敏度一般可達(dá)0.01～0.05像素所代表的大小。由于相關(guān)方法是對兩幅記錄的圖像進(jìn)行直接的相關(guān)處理，借助高速視頻記錄或高速攝影系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)動態(tài)測量。

1.2 膜結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容

針對膜結(jié)構(gòu)的檢測內(nèi)容可以分為兩大類，包括建筑膜材的材料性能檢測和膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測。

1.2.1 建筑膜材的材料性能檢測

建筑膜材的材料性能檢測包括以下三方面內(nèi)容：

(1)建筑膜材的基本特性研究，包括材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性四大基本力學(xué)特性。

(2)建筑膜材的強(qiáng)度指標(biāo)，主要指建筑膜材的抗拉強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度兩大基本強(qiáng)度指標(biāo)，這是膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的基本依據(jù)。

根據(jù)以上規(guī)劃意見，供熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)國家及當(dāng)?shù)氐恼?，遵循?jié)能、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等原則，并通過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，充分利用廢熱，如污水等低品位熱能，將其開發(fā)利用，利用于民用采暖中，從而實(shí)現(xiàn)物盡其用，節(jié)能環(huán)保的效果。

(3)建筑膜材的工程常數(shù)，主要包括彈性模量、泊松比、剪切模量等內(nèi)容。

以上材料性能的檢測設(shè)備主要為單軸拉伸試驗(yàn)機(jī)和雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖1、2）。在以上試驗(yàn)過程中，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法可以監(jiān)控加載過程中膜面的應(yīng)力、應(yīng)變的分布和發(fā)展規(guī)律，更全面地監(jiān)控試驗(yàn)發(fā)展的全過程，這對認(rèn)識建筑膜材的力學(xué)性能和破壞機(jī)理非常必要。

1.2.2 膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測

膜結(jié)構(gòu)施工過程中及正常使用極限狀態(tài)下的預(yù)張力檢測是屬于膜結(jié)構(gòu)特有的檢測內(nèi)容。膜材屬于柔性材料，只能承受拉力而不能受壓或受彎，只有在被施加了一定水平的預(yù)張力后才具備所需的結(jié)構(gòu)剛度。當(dāng)外荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)的預(yù)張應(yīng)力時(shí)，膜結(jié)構(gòu)將發(fā)生局部屈曲，即產(chǎn)生褶皺。即使在考慮恒荷載、風(fēng)荷載和預(yù)張力的組合下，膜面的褶皺面積也不允許超過10%[6]。而由于外荷載造成的膜材達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度而破壞的情況較為少見，因而膜面預(yù)張力的大小和分布是膜結(jié)構(gòu)施工和檢測的控制性指標(biāo)。

膜結(jié)構(gòu)膜面張力測量屬于無損檢測的范疇。國外曾提出過聲波法、拉曼光譜測試法、振動測試法和位移測試法等測量方法[7、8]。但是普遍存在測量精度不高，操作不方便的缺點(diǎn)，而且國外相關(guān)技術(shù)、儀器均為各企業(yè)專用，不對外提供技術(shù)服務(wù)，處于技術(shù)保密狀態(tài)。

數(shù)字散斑相關(guān)方法在這一領(lǐng)域擁有較大的優(yōu)勢，因?yàn)槠錂z測過程為實(shí)時(shí)、非接觸檢測，且其測量范圍可以是一個(gè)區(qū)域而非單一的點(diǎn)，在一定條件下甚至可以進(jìn)行膜面的全場檢測——不僅可以檢測預(yù)張力的大小，還可以檢測預(yù)張力分布的不均勻性。因此，數(shù)字散斑相關(guān)方法的檢測技術(shù)對膜結(jié)構(gòu)的施工和維護(hù)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外的檢測技術(shù)尚未能完全解決膜結(jié)構(gòu)的施工及正常使用極限狀態(tài)下的檢測問題，數(shù)字散斑相關(guān)方法為解決這一難題提供了很好的途徑?；跀?shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對膜結(jié)構(gòu)施工過程進(jìn)行檢測，控制預(yù)張力的分布及預(yù)張力水平；實(shí)現(xiàn)對服役期內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的檢測，提高膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。這將有力促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的健康發(fā)展，同時(shí)對于保護(hù)生態(tài)環(huán)境大有裨益。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

國際上，對于建筑膜材檢測技術(shù)的研究起步于上世紀(jì)80年代。其中，德國、日本等在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平的國家已經(jīng)開展了大量的研究工作。德國的Rain Blum 實(shí)驗(yàn)室是歐洲最大規(guī)模的膜材料力學(xué)性能研究室，建立了膜材料在抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度等強(qiáng)度指標(biāo)以及通過雙軸拉伸試驗(yàn)確定膜材料彈性模量、泊松比、剪切模量等工程常數(shù)的統(tǒng)一的試驗(yàn)方法，并已被Tensinet等行業(yè)組織采納。日本也相繼在1993、1995和2003年制定了統(tǒng)一的膜材料性能的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)范圍包括了強(qiáng)度指標(biāo)、工程常數(shù)的測試以及蠕變、應(yīng)力松弛、耐折、高低溫、防水、耐候等長期工作狀態(tài)下的性能測試。在國內(nèi)，同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、上海交大等高校已經(jīng)開始在膜材料、膜結(jié)構(gòu)單元力學(xué)性能領(lǐng)域開展研究工作；由同濟(jì)大學(xué)張其林教授主持編寫的上海市工程建設(shè)規(guī)范《膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)規(guī)程》已經(jīng)出版。這使得對膜材的力學(xué)性能以及膜結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力水平進(jìn)行檢測成為可能。

但是，膜結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)尚處于探索階段，存在不同程度的缺陷，針對膜結(jié)構(gòu)施工過程和正常使用極限狀態(tài)的實(shí)用檢測技術(shù)尚未出現(xiàn)。因而利用數(shù)字散斑相關(guān)方法進(jìn)行非接觸的實(shí)時(shí)檢測必將成為未來的發(fā)展趨勢。

3 主要研究開發(fā)內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵及主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

3.1 主要研究開發(fā)內(nèi)容

3.1.1 數(shù)字散斑相關(guān)方法的原理

數(shù)字散斑相關(guān)方法測量的基本問題是相關(guān)兩個(gè)散斑場，即變形前的參考場和變形后的變形場，在一個(gè)空間坐標(biāo)系x，y，z中，被測物體上一點(diǎn)P的坐標(biāo)為x，y，z，而變形后的坐標(biāo)為x’，y’，z’，其關(guān)系可以寫作：x’=x+u，y’=y+v，z’=z+w，其中，u，v，w稱為位移分量。

在實(shí)際測量中，以平面方式記錄散斑場。在變形前，物體表面的灰度場為P(x，y)；變形后，物體表面的灰度場為P(x+u，y+v)，如圖4所示。于是問題變成考慮兩個(gè)灰度場的相關(guān)來測量u和v。根據(jù)圍繞P點(diǎn)的位移函數(shù)的線性泰勒展開式可以推導(dǎo)變形場位移與應(yīng)變的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，位移偏導(dǎo)數(shù)在數(shù)量級上比位移小很多，因此在相關(guān)運(yùn)算時(shí)采用的策略是只求位移，隨后用位移場導(dǎo)出應(yīng)變場。

3.1.2 相關(guān)運(yùn)算

在數(shù)字散斑相關(guān)方法中，相關(guān)運(yùn)算是其中的關(guān)鍵。相關(guān)運(yùn)算，是尋求圖像間最佳匹配的運(yùn)算。它可以在圖像空域上進(jìn)行，稱為空域相關(guān)運(yùn)算；也可以在頻域進(jìn)行，稱為頻域相關(guān)運(yùn)算。由于空域相關(guān)運(yùn)算往往可以得到比頻域相關(guān)運(yùn)算較高的精度，所以，本項(xiàng)目主要研究空域相關(guān)運(yùn)算。

對相關(guān)運(yùn)算有兩個(gè)要求：一是精度，二是時(shí)間（即復(fù)雜程度）。這兩個(gè)因素一般是矛盾的。如何提高計(jì)算精度和減少計(jì)算時(shí)間，是數(shù)字散斑相關(guān)方法研究中的重點(diǎn)。本項(xiàng)目采用灰度梯度迭代算法(Iterative and gray-gradient algorithm，IGGA)進(jìn)行平面內(nèi)的相關(guān)運(yùn)算。這種算法不僅減少了計(jì)算量，同時(shí)當(dāng)測量較為復(fù)雜的非剛體位移時(shí)，灰度梯度算法與傳統(tǒng)方法相比具有更高和更穩(wěn)定的精度，這是數(shù)字散斑相關(guān)方法應(yīng)用于工程測量的基礎(chǔ)。

3.1.3 基于有限元與廣義交互驗(yàn)證方法的位移場光滑技術(shù)

對膜面變形的測量主要關(guān)注應(yīng)變場，而相關(guān)技術(shù)只能得到位移場，因而位移場的小誤差將導(dǎo)致應(yīng)變場的不可信。散斑圖像總是會受到一定程度的噪聲干擾，當(dāng)噪聲水平足夠高時(shí)，位移數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性就會受到影響，從而影響應(yīng)變數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為此，對離散的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行光滑，去除或減少噪聲影響是十分必要的。力學(xué)計(jì)算中的有限元法是一種很好的位移場平滑技術(shù)。本項(xiàng)目在有限元光滑技術(shù)(FEM Smoothing technique)的基礎(chǔ)上，引入二維廣義交互驗(yàn)證方法(2D Generalized cross validation, 2D GCV)，直接計(jì)算光滑參數(shù)，避免了對于光滑參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或煩瑣的間接計(jì)算，提高了測量系統(tǒng)的自動化能力。與一般方法相比，這種位移場的光滑方法可以明顯地去除噪聲并較大地提高應(yīng)變測量精度，滿足科研及工程測試要求。

3.1.4 三維數(shù)字散斑相關(guān)方法

二維數(shù)字散斑相關(guān)方法很好地解決了膜結(jié)構(gòu)面內(nèi)位移場和應(yīng)變場的測量，可以勝任建筑膜材的材料性能檢測和一般的膜結(jié)構(gòu)工程的實(shí)地檢測。但如果要實(shí)現(xiàn)對膜結(jié)構(gòu)工程的整體施工檢測和膜面預(yù)張力分布的全場檢測，就必須進(jìn)行三維觀測。

將立體攝影（雙目立體視覺原理）和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)相結(jié)合可以測量三維位移場。三維數(shù)字相關(guān)位移測量的基本原理是從兩個(gè)CCD(Charge-coupled Device)攝像機(jī)拍攝的平面圖像得到測量點(diǎn)對應(yīng)平面圖像的像素坐標(biāo)，然后根據(jù)CCD攝像機(jī)與空間坐標(biāo)的關(guān)系得到測量點(diǎn)的空間坐標(biāo)，位移前后的空間坐標(biāo)差就是所求位移量。三維位移測量有兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)需要解決：①從兩個(gè)CCD攝像機(jī)拍攝的平面圖像得到測量點(diǎn)對應(yīng)平面圖像的像素坐標(biāo)；②CCD與空間坐標(biāo)的關(guān)系。

其中，第一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是平面圖像的匹配問題，可以采用二維數(shù)字散斑相關(guān)方法解決，而第二個(gè)問題就是攝像機(jī)的標(biāo)定問題。首先利用兩個(gè)CCD攝像機(jī)在空間兩個(gè)不同位置拍攝物體表面在變形前后同一區(qū)域的四幅散斑圖像。有了同一載荷狀態(tài)下的兩個(gè)攝像機(jī)拍攝的同一物點(diǎn)的兩個(gè)坐標(biāo)，就可以根據(jù)坐標(biāo)關(guān)系找出物體上這一點(diǎn)的兩個(gè)世界坐標(biāo)(world coordinate system)值，這兩個(gè)世界坐標(biāo)值的差值就是位移。由此類推，可以得到被測物體的三維坐標(biāo)和三維位移場。

3.1.5 建筑膜材的性能檢測與膜結(jié)構(gòu)的實(shí)地檢測

通過數(shù)字散斑相關(guān)方法配合單軸、雙軸拉伸試驗(yàn)機(jī)對建筑膜材的基本特性、強(qiáng)度指標(biāo)和工程常數(shù)進(jìn)行檢測。尤其在建筑膜材的材料非線性、非彈性、各向異性以及黏彈性這四大基本力學(xué)特性的研究中，數(shù)字散斑相關(guān)方法可以發(fā)揮它實(shí)時(shí)、非接觸以及全場觀測的特點(diǎn)，有助于揭示建筑膜材的特性。通過三維數(shù)字散斑相關(guān)方法對實(shí)際膜結(jié)構(gòu)工程的施工過程進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對膜結(jié)構(gòu)施工過程的控制和跟蹤，有利于提高膜面的預(yù)應(yīng)力分布均勻程度，與設(shè)計(jì)的預(yù)應(yīng)力水平相吻合。同時(shí)，對已有膜結(jié)構(gòu)的正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行實(shí)地檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)膜面由于應(yīng)力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，增加膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。

3.2 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點(diǎn)

本研究的技術(shù)關(guān)鍵在于灰度梯度迭代算法，基于有限元與廣義交互驗(yàn)證方法的位移場光滑技術(shù)，以及三維數(shù)字散斑相關(guān)方法。

目前，膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論已經(jīng)開始考慮膜材本身的各項(xiàng)異性，考慮膜材的材料性能對于膜結(jié)構(gòu)的影響。但是檢測技術(shù)的落后嚴(yán)重制約了各項(xiàng)新技術(shù)在膜結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用。

本研究的創(chuàng)新之處在于通過數(shù)字散斑相關(guān)方法解決了困擾設(shè)計(jì)與施工人員的膜結(jié)構(gòu)檢測問題。利用數(shù)字散斑相關(guān)方法實(shí)時(shí)、非接觸和全場觀測的特點(diǎn)，可深入揭示建筑膜材的特性。同時(shí)，基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)將實(shí)現(xiàn)對膜結(jié)構(gòu)施工過程的控制和跟蹤，控制預(yù)張力的分布及預(yù)張力水平；并實(shí)現(xiàn)對服役期內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的檢測，提高膜結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)下的可靠性，增強(qiáng)膜結(jié)構(gòu)的健康服役能力。

4 研究意義

4.1 社會效益

長期以來，膜結(jié)構(gòu)的施工過程對于膜面的預(yù)張力水平和分布的控制僅僅依靠施工人員的經(jīng)驗(yàn)。而建成后的膜結(jié)構(gòu)除非發(fā)生明顯的破損，很難判定其是否處于正常服役狀態(tài)，這造成許多膜結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)害過后出現(xiàn)大面積的破壞?；跀?shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)將改變這一局面。首先，通過對膜結(jié)構(gòu)施工過程的檢測將改變膜結(jié)構(gòu)的施工過程僅能依靠經(jīng)驗(yàn)的局面。檢測技術(shù)的發(fā)展將為膜結(jié)構(gòu)的施工過程提供準(zhǔn)確的依據(jù)。其次，通過對正在服役的膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)膜面由于應(yīng)力松弛等原因出現(xiàn)承載力下降的問題，通過補(bǔ)張拉對其進(jìn)行修復(fù)，避免發(fā)生破壞，進(jìn)而減少廢棄膜材的出現(xiàn)?；跀?shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)將為膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)大的技術(shù)保障。檢測技術(shù)的進(jìn)步將提高我國膜結(jié)構(gòu)企業(yè)的核心競爭力，因而具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)這也將為保護(hù)生態(tài)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

4.2 技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景

在世界范圍內(nèi)，膜結(jié)構(gòu)的檢測技術(shù)是各膜結(jié)構(gòu)企業(yè)的核心技術(shù)。國外的相關(guān)檢測技術(shù)、儀器均為各企業(yè)專用，處于技術(shù)保密狀態(tài)。因而，基于數(shù)字散斑相關(guān)方法的膜結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)可以大幅度提高我國膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工過程控制的水平。這一技術(shù)將迅速地在膜結(jié)構(gòu)企業(yè)得到推廣，在技術(shù)層面上對企業(yè)的核心競爭力給予有力的支撐，進(jìn)而促進(jìn)膜結(jié)構(gòu)建筑業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。

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